多級油缸的結(jié)構(gòu)分析

摘要 針對多級油缸設(shè)計時經(jīng)常出現(xiàn)的問題，本文通過實例分析，歸納了幾種結(jié)構(gòu)的適用條件、設(shè)計制造要點，可供油缸設(shè)計人員參考。

關(guān)鍵詞 多級油缸，雙作用，單作用，鋼環(huán)

1前 言

多級油缸因其結(jié)構(gòu)緊湊，在給定的安裝空間內(nèi)可實現(xiàn)比單級油缸更長的行程，從而在安裝空間緊張的情況下得到了廣泛的運(yùn)用，如自卸車的翻斗油缸、垃圾站的推鏟油缸、設(shè)備搬運(yùn)橋架中的提升油缸等；但國內(nèi)的油缸設(shè)計資料中較少對其結(jié)構(gòu)分類、受力計算、材料選用、加工工藝、密封件選用作一個較詳細(xì)的介紹，導(dǎo)致設(shè)計人員經(jīng)常無法借鑒既有的設(shè)計經(jīng)驗。有鑒于此，筆者在本文對此作一個歸納，供油缸設(shè)計人員參考。

對于單級油缸來講，油缸設(shè)計方面的介紹較容易從相關(guān)資料中查得，因此本文是在基于讀者已了解單級油缸設(shè)計知識的前提下來進(jìn)行介紹。

2幾種常見的多級油缸結(jié)構(gòu)

多級油缸的典型運(yùn)用是三級缸，其余各種多級缸的結(jié)構(gòu)和工作原理可以參照三級油缸的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行拓展。本文重點分析三級油缸，其余讀者可類推。

2.1 桿頭進(jìn)出油的活塞式雙作用多級缸的結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1是垃圾站推鏟油缸的典型結(jié)構(gòu)，該缸是一個三級缸，壓力油從桿頭進(jìn)出，并最終作用于活塞的左右兩面，來實現(xiàn)伸出和縮回，故稱為桿頭進(jìn)出油的活塞式雙作用三級缸。按缸徑從大到小標(biāo)記，各級油缸及其組成與圖1的序號及名稱的對應(yīng)關(guān)系見表1。

如圖1所示，當(dāng)油缸伸長時，高壓力油從B口進(jìn)入，流經(jīng)13-油管，到達(dá)各級活塞的右邊（圖1中的方向），并由于作用面積的不同，由大到小依次推動第一級油缸的活塞桿5-缸筒Ⅱ、第二級油缸的活塞桿8-缸筒Ⅲ、第三級油缸的活塞桿12-活塞桿Ⅲ，使其向左伸出（相對于各自的缸筒而言）。此時，低壓力油從第一級油缸的有桿腔經(jīng)小孔E口流至第二級油缸的有桿腔，再經(jīng)小孔D口流至第三級油缸的有桿腔，最后經(jīng)小孔C口流至11-桿頭，最后從A口流出。

當(dāng)油缸縮回時，高壓力油從A口進(jìn)，經(jīng)由C口，進(jìn)入第三級油缸的有桿腔，推動第三級油缸的活塞桿回縮；等D口接通后，進(jìn)入第二級油缸的有桿腔，推動第二級油缸的活塞桿回縮；直至E口接通，進(jìn)入第一級油缸的有桿腔，推動第一級油缸的活塞桿回縮。同時，低壓力油經(jīng)由13-油管從B口流出。

2.2 缸筒進(jìn)出油的活塞式雙作用多級缸的結(jié)構(gòu)及工作原理

圖2所示的是一個設(shè)備搬運(yùn)架提升油缸的典型結(jié)構(gòu)，該缸是一個三級缸，壓力油由缸筒進(jìn)出，并最終作用于活塞的左右兩面，實現(xiàn)伸出和縮回作用，故稱為缸筒進(jìn)出油的活塞式雙作用三級缸。按缸徑從大到小標(biāo)記，各級油缸及其組成與圖2的序號及名稱的對應(yīng)關(guān)系見表2。

圖2中，3-活塞Ⅰ上開有軸向的孔“G口”和徑向的孔“E口”，但兩者并不相通。與此類似，5-活塞Ⅱ上則開有軸向的“F口”和徑向的“D口”，同樣“F口”和“D口”也不相通。

如圖2所示，當(dāng)油缸伸長時，高壓力油從B口進(jìn)入，流經(jīng)G口和F口，到達(dá)各級活塞的右邊（圖2中的方向），并由于作用面積的不同，由大到小依次推動第一級油缸的活塞桿16-缸筒Ⅱ、第二級油缸的活塞桿9-缸筒Ⅲ，以及第三級油缸的活塞桿10-活塞桿Ⅲ，使其向左伸出（相對于各自的缸筒而言）。此時，第一級油缸的有桿腔內(nèi)的低壓力油從A口流出；第二級油缸的有桿腔內(nèi)的低壓力油從小孔D口，流入8-油管Ⅲ和7-油管Ⅱ，然后經(jīng)小孔E口流入第一級油缸的有桿腔，最后經(jīng)A口流出；第三級油缸的有桿腔內(nèi)的低壓力油從小孔C口流入7-油管Ⅱ，然后經(jīng)小孔E口流入第一級油缸的有桿腔，最后經(jīng)A口流出。

當(dāng)油缸縮回時，高壓力油從A口進(jìn)，進(jìn)入第一級油缸的有桿腔，在進(jìn)入E口、7-油管Ⅱ后，“油”分兩路進(jìn)行：一路經(jīng)由C口進(jìn)入第三級油缸的有桿腔，另一路經(jīng)由8-油管Ⅲ、D口進(jìn)入第二級油缸的有桿腔，在各級油缸的有桿腔均有壓力油的情況下，根據(jù)3-活塞Ⅰ、5-活塞Ⅱ、6-活塞Ⅲ的受力面積的大小不同，從小到大依次推動6-活塞Ⅲ、5-活塞Ⅱ、3-活塞Ⅰ，從而實現(xiàn)第三級、第二級、第一級油缸的縮回。同時，低壓力油經(jīng)由F口、G口，最后經(jīng)B口流出。

2.3 柱塞式單作用三級缸的結(jié)構(gòu)及工作原理

圖3所示的是自卸車翻斗油缸的典型結(jié)構(gòu)。該缸是一個三級缸，各級缸筒采用柱塞式結(jié)構(gòu)，伸出時對外作用，縮回時靠外力，故稱為柱塞式單作用三級缸。按缸徑從大到小標(biāo)記，各級油缸及其組成與圖3的序號及名稱的對應(yīng)關(guān)系見表3。

柱塞式單作用三級缸采用從缸筒進(jìn)油的方式，若需要從桿頭進(jìn)油，則不在缸筒上開A口，而將A口開在活塞上并通至油缸內(nèi)部即可。

以圖3為例，缸筒伸長時，高壓力油從A口進(jìn)入，按柱塞直徑的大小，依次推動6-柱塞Ⅰ、7-柱塞Ⅱ、8-柱塞Ⅲ；縮回時，則依靠外力（在自卸車翻斗油缸中，依靠車斗及車載物品的重力）推動各級柱塞縮回。

3幾種多級油缸的設(shè)計及制造要點

3.1 桿頭進(jìn)出油的活塞式雙作用多級缸的設(shè)計制造要點

3.1.1設(shè)計要點

（1） 缸蓋的導(dǎo)向：圖1中各級油缸的缸蓋（4-缸蓋Ⅰ、6-缸蓋Ⅱ、9-缸蓋Ⅲ）均無加裝導(dǎo)向圈，并非此種油缸不需要導(dǎo)向，而是為了使其結(jié)構(gòu)緊湊以節(jié)省空間而將缸蓋的材料選用了鑄鐵（HT200）。另外，圖1中各級缸蓋靠近活塞的一端開臺階孔，是為了使活塞上開有小孔的臺階得以進(jìn)入此孔，以期實現(xiàn)在油缸伸長后，各級油缸的有桿腔內(nèi)的壓力油盡量少，從而提高各級活塞的有效作用面積，提高輸出力。

（2） 活塞上的縮回小孔：圖1中開在各級活塞上的D口、E口，是為了實現(xiàn)壓力油通向各級油缸的有桿腔，在這種結(jié)構(gòu)中肯定必需，但同時活塞上的密封件在每個動作循環(huán)中又必須兩次經(jīng)過這些小孔，而密封件經(jīng)過這些孔口時，易造成損壞，會導(dǎo)致密封壽命大大地縮短。在處理矛盾時，需要將這些小孔開得小些，且需將其孔口進(jìn)行足夠的倒角。

（3） 過孔密封件的選擇：圖1中第二、三級油缸的密封件（17，18-過孔密封件）因頻繁經(jīng)過小孔，會使其密封壽命大打折扣。為延長其壽命，可以采用相同于發(fā)動機(jī)中的活塞環(huán)一樣的材質(zhì)制造這些密封環(huán)，通常可以向發(fā)動機(jī)活塞環(huán)制造商訂制。

（4） 彎曲穩(wěn)定性校核：首先，在工程使用中，多級油缸應(yīng)盡量不使其承受徑向力，如有徑向力時需要另外設(shè)計導(dǎo)軌來承受；其次，油缸伸長后，多級缸需要進(jìn)行彎曲穩(wěn)定性校核，在工程上，可以簡化為以單級油缸的彎曲穩(wěn)定性校核模型來近似計算，其中模型中的缸筒為多級缸第一級油缸的缸筒，模型中活塞桿的直徑為多級油缸第三級油缸的活塞桿的直徑，模型中活塞桿的長度則為除第一級油缸缸筒長度外的其余長度。

3.1.2組裝過程

圖1所示的油缸的組裝過程為：

步驟1：各級活塞桿及缸筒的組焊：

（1） 焊接13-油管與11-桿頭，以及焊接14-活塞Ⅲ與12-活塞桿Ⅲ，再將兩焊接件相互插入后焊接在一起，完成最終的第三級油缸的活塞桿組焊件。

（2） 將8-缸筒Ⅲ與15-活塞Ⅱ焊接在一起，構(gòu)成第二級油缸的活塞桿組焊件。

（3） 將5-缸筒Ⅱ與16-活塞Ⅰ焊接在一起，構(gòu)成第一級油缸的活塞桿組焊件。

（4） 將2-缸筒Ⅰ、19-缸底及1-底耳焊接在一起，構(gòu)成第一級油缸的缸筒組焊件。

步驟2：活塞桿與缸筒組焊件的組裝：將步驟1中的各級油缸的活塞桿組焊件按圖1所示的結(jié)構(gòu)裝入第一級油缸的缸筒組焊件中。

步驟3：各級油缸的缸蓋、壓蓋的組裝：先裝表1中第一級油缸的缸蓋和壓蓋（4-缸蓋Ⅰ和3-壓蓋Ⅰ），再裝第二級油缸的缸蓋和壓蓋（6-缸蓋Ⅱ和7-壓蓋Ⅱ），最后裝第三級油缸的缸蓋和壓蓋（9-缸蓋Ⅲ和10-壓蓋Ⅲ）。

另外，密封件的組裝按照單級油缸的裝配方法進(jìn)行即可。

3.2 缸筒進(jìn)出油的活塞式雙作用多級缸的設(shè)計制造要點

對圖2所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行安裝時，缸蓋導(dǎo)向部分的要點與桿頭進(jìn)出油的活塞式雙作用多級缸相同，活塞部分與單級油缸相同，穩(wěn)定性的校核與圖1相同。制造中需要保證G口與E口不連通，以及F口與D口不連通。

3.3 柱塞式單作用三級缸的設(shè)計制造要點

設(shè)計圖3所示的結(jié)構(gòu)時，需要注意每級油缸都要有限位結(jié)構(gòu)，如3-限位塊Ⅰ、4-限位塊Ⅱ和8-柱塞Ⅲ尾部的限位臺階。因為在實際使用中常會有某級油缸有所變形，造成各級柱塞不能按設(shè)計次序伸出，此時若無限位，就有可能導(dǎo)致某級油缸從整個多級缸脫出。

3.4 各種多級油缸的適用場合比較

圖1、圖2的結(jié)構(gòu)是雙作用缸，可以應(yīng)用其伸出和縮回的兩個特性，而圖3僅可應(yīng)用其伸出的特性，縮回時需要借助外力。

桿頭進(jìn)出油的活塞式雙作用多級缸從桿頭進(jìn)出油，使用時通常將桿頭固定，缸筒設(shè)計為活動。桿頭進(jìn)出油的活塞式雙作用多級缸是“缸動型”油缸的應(yīng)用，但需要訂制特殊的鋼環(huán)才能保證其有較長的使用壽命；缸筒進(jìn)出油的活塞式雙作用多級缸則從缸筒進(jìn)出油，使用時固定缸筒，將桿頭設(shè)計為活動。缸筒進(jìn)出油的活塞式雙作用多級缸是“桿動型”油缸的應(yīng)用，其各級油缸的活塞上密封的設(shè)計同單級油缸相同，對密封件無特殊的要求。

柱塞式單作用多級缸從桿頭或缸筒進(jìn)油僅僅取決于位置的要求。若從桿頭進(jìn)油，就固定桿頭。若從缸筒進(jìn)油，則固定缸筒。這樣做同活塞式雙作用多級缸一樣，也是為了避免使用不必要的高壓油管。

4 結(jié) 束 語

在多級油缸設(shè)計過程中，理解或熟悉其結(jié)構(gòu)以及設(shè)計、制造要點，有助于合理選型和設(shè)計，并在維護(hù)過程中，有助于實現(xiàn)操作的得心應(yīng)手。上述幾個結(jié)構(gòu)案例均取材于實際的生產(chǎn)實踐，可作為油缸結(jié)構(gòu)設(shè)計和使用的參考案例。

參考文獻(xiàn)

1 雷天覺.新編液壓工程手冊[M].北京:北京理工大學(xué)出版社，1998

2 成大先.機(jī)械設(shè)計手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002